최근 러시아 과학 아카데미 응용 물리학 연구소는 극한 광 연구(XCELS)를 위한 eXawatt 센터를 소개했습니다. 이는 매우 높은 광전 효과에 기반한 대형 과학 장치를 위한 연구 프로그램입니다.고출력 레이저. 이 프로젝트에는 매우 건설이 포함됩니다.고출력 레이저대구경 인산이중수소칼륨(DKDP, 화학식 KD2PO4) 결정을 이용한 광 매개적 처프 펄스 증폭 기술을 기반으로 하며, 총 600 PW의 피크 전력 펄스를 예상합니다. 본 연구는 XCELS 프로젝트와 그 레이저 시스템에 대한 중요한 세부 사항과 연구 결과를 제공하며, 초강력 광장 상호작용과 관련된 응용 분야와 잠재적 영향을 설명합니다.
XCELS 프로그램은 최대 전력을 달성한다는 초기 목표로 2011년에 제안되었습니다.원자 램프현재 600PW로 업그레이드된 200PW 펄스 출력.레이저 시스템세 가지 핵심 기술에 의존합니다.
(1) 기존의 Chirped Pulse Amplification(Chirped Pulse Amplification, OPCPA) 기술 대신 Optical Parametric Chirped Pulse Amplification(OPCPA) 기술을 적용한다.
(2) DKDP를 이득매질로 사용하여 910nm 파장 부근에서 초광대역 위상정합을 실현한다.
(3) 펄스 에너지가 수천 줄인 대구경 네오디뮴 유리 레이저를 사용하여 파라메트릭 증폭기를 펌핑합니다.
초광대역 위상 정합은 많은 결정에서 널리 사용되며 OPCPA 펨토초 레이저에 사용됩니다. DKDP 결정이 사용되는 이유는 수십 센티미터의 개구부까지 성장할 수 있으면서도 수 PW 전력 증폭을 지원할 수 있는 허용 가능한 광학적 품질을 가진, 실제로 발견되는 유일한 재료이기 때문입니다.레이저. DKDP 결정이 ND 유리 레이저의 이중 주파수 광으로 펌핑될 때, 증폭된 펄스의 반송파 파장이 910nm일 때, 파동 벡터 불일치의 테일러 전개의 처음 세 항은 0이 됩니다.
그림 1은 XCELS 레이저 시스템의 개략적인 레이아웃입니다. 프런트 엔드는 중심 파장이 910nm(그림 1의 1.3)인 처프 펨토초 펄스와 OPCPA 펌핑 레이저에 주입되는 1054nm 나노초 펄스(그림 1의 1.1 및 1.2)를 생성합니다. 프런트 엔드는 또한 이러한 펄스의 동기화와 필요한 에너지 및 시공간적 매개변수를 보장합니다. 더 높은 반복률(1Hz)로 작동하는 중간 OPCPA는 처프 펄스를 수십 줄(그림 1의 2줄)로 증폭합니다. 이 펄스는 부스터 OPCPA에 의해 단일 킬로줄 빔으로 추가 증폭되고, 12개의 동일한 하위 빔(그림 1의 4줄)으로 나뉩니다. 최종 12 OPCPA에서, 12개의 첩된 광 펄스는 각각 킬로줄 수준(그림 1의 5개)으로 증폭된 후, 12개의 압축 격자(그림 1의 GC 6개)에 의해 압축됩니다. 음향-광학 프로그래밍 가능 분산 필터는 전단에 사용되어 군속도 분산과 고차 분산을 정밀하게 제어하여 가능한 가장 작은 펄스 폭을 얻습니다. 펄스 스펙트럼은 거의 12차 슈퍼가우스 형태를 가지며, 최대값의 1%에서 스펙트럼 대역폭은 150nm로, 푸리에 변환 한계 펄스 폭인 17fs에 해당합니다. 파라메트릭 증폭기에서 불완전한 분산 보상과 비선형 위상 보상의 어려움을 고려할 때, 예상 펄스 폭은 20fs입니다.
XCELS 레이저는 8채널 UFL-2M 네오디뮴 유리 레이저 주파수 배가 모듈 2개(그림 1의 3개)를 사용하며, 이 중 13개 채널은 부스터 OPCPA를 펌핑하는 데, 12개 채널은 최종 OPCPA를 펌핑하는 데 사용됩니다. 나머지 3개 채널은 독립적인 나노초 킬로줄 펄스로 사용됩니다.레이저 소스다른 실험을 위해, DKDP 결정의 광학적 파괴 임계값에 의해 제한되는 펌핑 펄스의 조사 강도는 각 채널당 1.5 GW/cm²로 설정되었고, 지속 시간은 3.5 ns였습니다.
XCELS 레이저의 각 채널은 50 PW의 펄스를 생성합니다. 총 12개 채널은 총 600 PW의 출력을 제공합니다. 주 타겟 챔버에서 이상적인 조건에서 각 채널의 최대 초점 강도는 F/1 초점 소자를 사용하여 초점을 맞춘다고 가정할 때 0.44×1025 W/cm²입니다. 후압축 기술을 사용하여 각 채널의 펄스를 2.6 fs로 추가 압축하면 해당 출력 펄스 전력은 230 PW로 증가하여 2.0×1025 W/cm²의 광 강도에 해당합니다.
더 높은 광 강도를 얻기 위해, 600 PW 출력에서 12개 채널의 광 펄스는 그림 2와 같이 역 쌍극자 복사의 기하 구조에 집중됩니다. 각 채널의 펄스 위상이 고정되지 않으면 초점 강도는 9×1025 W/cm2에 도달할 수 있습니다. 각 펄스 위상이 고정되고 동기화되면, 결맞는 합성 광 강도는 3.2×1026 W/cm2로 증가합니다. 주요 목표실 외에도 XCELS 프로젝트에는 최대 10개의 사용자 실험실이 포함되어 있으며, 각 실험실은 실험을 위해 하나 이상의 빔을 수신합니다. XCELS 프로젝트는 이 매우 강력한 광장을 사용하여 네 가지 범주의 실험을 수행할 계획입니다. 강렬한 레이저장에서의 양자 전기역학 프로세스; 입자의 생성 및 가속; 2차 전자기 복사 생성; 실험실 천체물리학, 고에너지 밀도 프로세스 및 진단 연구.
그림 2 주 표적 챔버의 초점 구조. 명확성을 위해 빔 6의 포물면 거울은 투명하게 설정되었으며, 입력 및 출력 빔은 두 채널 1과 7만 표시합니다.
그림 3은 실험 건물 내 XCELS 레이저 시스템의 각 기능 영역의 공간 배치를 보여줍니다. 전기, 진공 펌프, 수처리, 정화 및 공조는 지하에 있습니다. 총 건축 면적은 24,000m2가 넘습니다. 총 전력 소비량은 약 7.5MW입니다. 실험 건물은 내부 중공 전체 프레임과 외부 섹션으로 구성되며, 각각은 두 개의 분리된 기초 위에 건설됩니다. 진공 및 기타 진동 유도 시스템은 진동 분리 기초에 설치되어 기초와 지지대를 통해 레이저 시스템으로 전달되는 교란의 진폭이 1~200Hz 주파수 범위에서 10-10 g2/Hz 미만으로 감소합니다. 또한 레이저 홀에 측지선 기준 마커 네트워크가 설치되어 지면과 장비의 이동을 체계적으로 모니터링합니다.
XCELS 프로젝트는 초고출력 피크 레이저를 기반으로 하는 대규모 과학 연구 시설을 구축하는 것을 목표로 합니다. XCELS 레이저 시스템의 한 채널은 1024W/cm²보다 몇 배 더 높은 집속 광도를 제공할 수 있으며, 후압축 기술을 사용하면 1025W/cm²까지 더 높은 광도를 얻을 수 있습니다. 레이저 시스템의 12개 채널에서 펄스를 쌍극자 집속함으로써 후압축 및 위상 동기화 없이도 1026W/cm²에 가까운 광도를 얻을 수 있습니다. 채널 간 위상 동기화가 이루어지면 광도는 몇 배 더 높아집니다. 이러한 기록적인 펄스 강도와 다채널 빔 레이아웃을 활용하여 미래의 XCELS 시설은 매우 높은 강도의 복잡한 광장 분포를 이용한 실험을 수행하고 다채널 레이저 빔과 2차 복사를 이용한 상호작용을 진단할 수 있을 것입니다. 이는 초강력 전자기장 실험 물리학 분야에서 독보적인 역할을 할 것입니다.
게시 시간: 2024년 3월 26일